第五節隨鉆地層壓力檢測

“正常”的地層流體壓力大致等于流體液柱中的靜水壓力。地層流體壓力有

時比靜水壓力高，有時比靜水壓力低。兩種“不正常”的壓力條件都能引起鉆井

事故，而工業生產中最為關心的是異常高壓，有時稱之為地質壓力。

一、基本概念

1、靜水壓力(HydrostaticPressure)

靜水壓力是指單位液體重量與靜液柱垂直高度的乘積。與液柱的直徑和形狀

無關。

靜水壓力的計算公式如下：

:Hxd

h10

式中8-靜水壓力，kg/cm2

d-鉆井液重量，g/cm'

〃-垂直深度，m

2、帕斯卡定律(Pascal?sLaw)

帕斯卡定律闡述了靜止流體中任何一點上各個方向的靜水壓力大小相等。通

過流體可以傳遞任何施加的壓力，而不隨距離的變化而降低。

根據帕斯卡定律，靜水壓力在液柱中給定的深度上，作用于任何方向上。

3,靜水壓力梯度(HydrostaticPressureGradient)

靜水壓力梯度是指每單位深度上靜水壓力的變化量。這個值描述了液體中壓

力的變化，表示為單位深度上所受到的壓力。其計量單位是kgF/cm7嘰

錄井人員常用體積密度(g/cm3)來描述靜水壓力梯度，以便于同鉆井液密

度相對比。靜水壓力梯度的計算公式如下：

3”

GH10

式中心-靜水壓力梯度，kg/cm7m

--靜水壓力,kgf/cm2

-一單位體積質量,g/cm3

，-實際垂直深度，嘰

應用體積密度(g/cn?)時，靜水壓力梯度從的計算公式如下:

式中的-靜水壓力梯度，g/cm3

4、地層孔隙壓力(PorePressure)

地層孔隙壓力是指作用在巖石孔隙中流體上的壓力。對于現場計算，孔隙

壓力與流體液柱的密度及垂直深度有關。

對于正常壓力系統的地層，給定深度的真實孔隙壓力等于液柱壓力與流體

流動的壓力損失及溫度效應的總和。

計算孔隙壓力的公式為：

dfxH

PF=」—

「10

式中2-孔隙壓力，kg/cm2

4-流體密度，g/cm3

〃-真實垂直深度，m

5、地層孔隙壓力梯度(PorePressureGradient)

地層孔隙壓力梯度是指單位深度上地層孔隙壓力的變化量。

計算公式如下：

2生

yH

式中&-孔隙壓力梯度，kgF/cm2

孔隙壓力梯度等于或接近于靜水壓力梯度時稱為正常孔隙壓力梯度；低于

靜水壓力梯度時稱為低壓異常孔隙壓力梯度，簡稱低壓異常；高于靜水壓力梯

度時稱為超壓孔隙壓力梯度，簡稱超壓。后兩種孔隙壓力梯度都稱為異常孔隙

壓力梯度。同一地區，在不同的深度，可能會有幾種不同的孔隙壓力梯度。孔

隙壓力的上限通常等于上覆巖層的壓力。

6、上覆巖層應力(OverburdenStress)

上覆巖層應力是指覆蓋在該地層以上的地層基質(巖石骨架)和孔隙中流

體的總重量所造成的壓力。在石油領域中，上覆地層應力的數值可用與鉆井液

密度等效的壓力或壓力梯度表示。

上覆巖層應力的計算公式為：

5=絲蟲

10

式中S-上覆巖層應力，kg/cm2;

。廠區間平均體積密度，g/cm3;

深度，m。

巖石的體積密度與巖石骨架的密度、巖石孔隙流體的密度以及巖石孔隙度

有關。

下面是有代表性的各種巖石、礦物和流體的體積密度：

表3-2常見巖石及液體平均密度

平均密度

物質

g/cnf

砂巖2.65

灰巖2.71

白云巖2.87

硬石膏2.98

巖鹽2.03

石膏2.35

粘土2.7-2.8

淡水1.00

咸水1.03-1.2

石油0.8(平均)

對于給定巖層的體積密度用以下公式加以定義：

式中。廠體積密度，g/cm*

。-孔隙度，%；

〃.-巖石骨架密度，g/cmJ;

孔隙流體密度,g/cm*

7,上覆巖層壓力梯度(OverburdenPressureGradient)

上覆巖層壓力梯度是指單位高度上的上覆巖層應力。其計算公式為：

ys

P°BG=YL

式中POBC-上覆巖層壓力梯度，kgf/cm7m;

S-上覆巖層壓力，kgf/cm2;

￡-某段地層的厚度，m。

8、基巖應力

當一個固態的物體受到壓力時，在其中某一點上測得的壓力可能在不同的

方向上并不相同。基巖應力這個術語就是用來描述固體物質的壓力分布的。基

巖應力的集中可以形成地層壓力異常，并在很大程度上影響了巖石破裂壓力。

巖層的破裂壓力又決定了油井的套管程序和允許使用的最大鉆井液密度。因此，

基巖應力是在分析地層壓力異常成因及參數分析計算時不可忽視的因素。

9、正常地層壓力(NormalFormationPressure)

正常地層壓力是由所在地層以上的所有流體所施加給該地層的壓力。上覆

巖層壓力全部由巖石骨架所承擔，地層流體僅承載上覆孔隙液體的壓力。

因為水是巖石中普遍存在的流體，一個給定深度的正常地層壓力是地層水

密度的函數。地層水密度主要與地層水礦化度有關。

10、異常地層壓力(AbnormalFormationPressure)和壓力異常(Pressure

Anomalies)

異常地層壓力(AbnormalFormationPressure)是指地層流體壓力大于或小

于計算所得的靜水壓力。

壓力異常(PressureAnormalies)是指任何地層流體液柱高度或密度與井

眼中的流體液柱的差異所作用的結果。從技術上講：壓力異常是“正常”地層

流體壓力，它與異常地層壓力對井眼的效應是相同的。

對于任何異常地層流體高壓，部分上覆地層載荷已經從巖石骨架轉移到了

地層流體中。如果鉆井液的壓力低于地層流體壓力，就會發生流體溢出，直到

壓力平衡為止。這種流體溢出就是通常所說的井涌(KICK)。

11、當量鉆井液循環密度(ECD-EquivalentCirculationDensity)

當量鉆井液循環密度(ECD)是相當于井底循環壓力(BHCP)的鉆井液密度。

井底循環壓力等于鉆井液的靜水壓力加上以實際鉆井液流速在環空中損失的壓

力(APann).

12、壓差(DifferentialPressure)

壓差是井底計算壓力和地層壓力之間的差值。

即

△P=PBHC—PF

式中/尸-壓差，kgf/cm2;

■-計算井底壓力，kgf/cm2;

2-地層壓力，kgf7cm2。

是在現場鉆井活動中與其它許多活動有關的重要參數之一。

如果4戶是負值(8〉PBQ,可能會產生如下結果：

①來自地層的油氣侵入井眼。

②鉆速(“如加快。

③非滲透巖層坍塌。

④滲透性巖層發生井涌。

⑤軟巖層出現井眼跨塌。

如果/P的值接近于零(R=PBQ,可能會產生如下結果：

①巖屑中有較好的氣體顯示。

②由于循環暫停和鉆桿的運動，鉆井液柱壓力下降，出現起下鉆氣

體顯示。

如果/P是正值(2<PBIIC),可能會產生如下結果：

①鉆速G?陽降低。

②由于鉆井液對地層的沖洗，滲透層的氣體顯示較差。

③由于鉆井液對地層的沖洗，電測響應差。

④使鉆井中的固體物質注入地層孔隙中，儲層被破壞。

⑤可能從地層已有的裂縫中發生井漏。

在大多數鉆井條件下，//必須大于零。這樣做雖然會導致鉆速小于最優

鉆速，但可以使鉆進過程中井涌發生的可能性變得最小。更為重要的是，有一

個較小的正壓力差，可以補償起下鉆時的抽汲壓力降。

13、地層破裂壓力(FormationFractureResistance)

地層破裂壓力或地層抗破裂壓力，是將地層壓裂所需要的液柱壓力。地層

破裂壓力是石油工業上研究最多的課題之一。油井開采中常常故意壓裂儲層巖

石以增加低滲層的產量。但是，鉆井過程中發生的地層巖石被壓裂破碎卻可能

引起嚴重的問題，甚至可以使油井報廢。

當鉆穿異常高壓帶時，鉆井人員必須提高鉆井液的密度以平衡地層流體壓

力。可是，鉆井液的循環壓力卻不能大于井眼中最弱的巖層的破裂壓力。

對應于不同的深度，把一口設計井的所有的破裂壓力值繪成一幅曲線圖，

用來描述破裂壓力梯度。破裂壓力梯度可以：幫助我們確定下技術套管的深度,

確定控制井涌時的最大環空壓力，實施增產措施時，控制人工破碎儲層的壓力。

大多數情況下，在一個給定的裸眼井中，最軟的巖層往往是位于最后一層

套管鞋下面的第一個滲透層。如果鉆井液壓力大于破裂壓力，該巖層就會發生

井漏。井漏的發生又可能導致在漏失層的下部負壓差的出現，可能引發井涌或

井噴。因此，就限定了有一個極限的深度，即在沒有下入另一層套管的情況下，

在異常壓力帶可以鉆達的最大深度。

14、泄漏試驗(Leak-OffTest)

地層泄漏試驗是在現場確定裸眼井段允許使用的最大鉆井液密度的一種試

驗方法。在新下入套管位置以下鉆入幾米，由鉆井施工人員進行測試。如果在這

之下沒有更高滲透率的巖層存在，這部位就是最軟的部位。測試的結果，轉換成

相應的鉆井液密度，從而確定該層位在不發生井漏的情況下允許使用的最大的鉆

井液密度。

作業公司通常僅在一個新區的最先打的幾口井才作泄漏試驗。這項測試應當

在下入套管的堅硬地層以下的第一個孔隙地層里進行。測試包括在地面關井，然

后加壓，至到鉆井液開始注入地層。

典型的漏失測試包括如下步驟：

(1)下套管固井后，下鉆循環，試壓，再鉆穿套管鞋，鉆入套管鞋下面新的

地層最少3米。

(2)起鉆到套管鞋。

(3)使鉆頭位于套管鞋深度，停泵，使鉆井液靜止，關閉方鉆桿旋塞及防噴

器(環空及鉆桿防噴器心子)。

(4)使用固井設備從節流管線緩慢地向井眼環空注入鉆井液。注鉆井液過程

中注意壓力的變化以及注入鉆井液的體積。

(5)在鉆井液開始擠入地層之前，壓力的增加基本上是呈線性的。開始脫離

線性變化那一點的壓力就是漏失壓力。

(6)繼續注入鉆井液后壓力曲線變得平緩，至到壓力不再增加。在壓力不變

的那點上，就開始向地層孔隙和裂縫中注入鉆井液。出現這種現象的那點的壓力

就是注入壓力。

(7)到達注入壓力點，立即停泵，關閉節流管線，注視壓力的變化。正常情

況下，關閉壓力將下降，到達一個略高于漏失壓力的平衡點。該平衡點上的壓力

叫做放壓壓力。

應監控測試過程中注入的鉆井液的量以及放壓以后回收的鉆井液量；損失部

分或全部鉆井液意味著地層的漏失或固井失效。

(8)維持放壓壓力幾分鐘以確保沒有巖層破裂發生。

(9)如果放壓壓力保持不變，打開節流閥排出剩余壓力，鉆井可繼續進行。

測試結果可能很難解釋。偶爾，軟地層可能完全漏失，操作者必須進行處理才能

繼續鉆進。記住，井漏發生處是整個垂直井深中最弱的點(常常位于套管鞋下),

不一定是井底。

漏失壓力確定了漏失點的井底壓力，據此可以確定所允許使用的最大鉆井液

密度(ECD)。

圖3-24地層泄漏試驗壓力演變圖

漏失井底壓力：

P—&xH

"BH-jQ干,LOT

式中井底壓力，kgf/cm2;

d-鉆井液密度，g/cm!;

垂直深度，m;

尸W-漏失壓力,kgf/cm\

最大允許使用的鉆井液密度(dmax)：

居八10

泄漏試驗有可能會引起地層完全破裂，因此，有時使用一種新的測試方法，

即所謂的地層完整性測試(FormationIntegrityTest)或者叫地層注入測試

(FIT-FormationIntakeTest)來代替地層泄漏試驗。在FIT測試中，鉆井

人員對套管鞋以下地層施加一個稍微比估計破裂壓力小的壓力。如果在該壓力

下沒有井漏發生，測試就算成功。FIT測試有一個缺點就是不能測出真實的漏

失壓力。如果在鉆井過程中鉆井液密度必須提高到FIT限定的密度值以上時，

有可能引起井漏。

綜合錄井應用軟件中一般均配備有泄漏試驗程序，它可以實時地監控和記

錄測試壓力。測試數據可以根據時間、體積、以及體積和時間進行回放。測試

結果可以被打印出來，作為生產報告的一部分。

二、異常地層壓力的成因

異常地層壓力可能比靜水壓力高或者低，但是在石油和天然氣勘探開發中

人們最關心的是異常高壓。

有很多地質過程影響壓力的形成，大多數的異常壓力可能是由下列諸多因

素的相互作用引起的：壓力“封閉層”、壓實作用、大地構造效應、成巖作用、

溫度效應、流體密度效應、流體運移效應等。對一個特定地區的異常壓力條件

可能是由以上幾個因素的結合引起的。

1.壓力"封閉層"(Pressure“Seal”)

壓力“封閉層”的作用是限制地層流體從高壓區向低壓區的運移或壓力的散

失。壓力“封閉層”是形成地層壓力異常的必要條件。

壓力“封閉層”類型包括：

(1)低孔隙度巖石的沉積，如致密的碳酸鹽巖、巖鹽、石膏或硬石膏、粘土

巖或頁巖。

(2)鹽類或頁巖的刺穿構造的形成。

(3)斷層在滲透性巖層中置入非滲透性巖層，限制了流體的流動。

(4)蓋層的厚度控制著由于漏失而使壓力達到平衡的總體時間。

(5)任何其它的阻止地層流體流動的物理或化學條件。

2.壓實作用(CompactionEffects)

在沉積作用過程中，大多數的沉積物含有一些水(自由水或結合水)。尤其

是海相的粘土物質在掩埋時有高達80%的含水量。作用在沉積物孔隙水上的上

覆沉積物的重量(上覆壓力)隨著埋藏深度的增加而增加。

如果有一個向上排替水的運移通道，壓力就會維持正常靜水壓力。有時，

由于某種因素限制了地層的滲透性或者埋藏的速度超過了水被排擠出的速度。

這種情況下，壓實作用減慢，把部分其后沉積的固體物質的重量施加到孔隙流

體中。孔隙流體就會呈現異常高壓，見圖3-25。阻擋流體流動、減慢壓實作

用的因素就是壓力“封閉層”。封閉層（巖蓋）可能就在異常壓力巖層的內部，

也可能位于流體流動方向的上部。

莓巖i

量

瞿

與

體

接

的

傳

速

H正常流體壓*GE常壓實）

異常值體高壓（次壓實）

圖3-25地層壓實作用原理圖

（1）、壓實趨勢

在許多地區海相粘土物質的孔隙度隨著深度的增加按可以預測的趨勢減

小。許多地區，粘土孔隙度的減小呈一條指數曲線。

一種純粘土膠結的沉積物孔隙度曲線，繪制在半對數坐標中，大致呈一條

直線。這條曲線形成一種壓實趨勢，可以用它來預測在任何深度上同種沉積物

的孔隙度（或密度）。根據趨勢線的偏差，可以很容易地看出“正常”孔隙度曲

線上的變化量。不同地區有各自的壓實趨勢，它是應力、溫度和化學作用的綜

合影響的結果，見圖3-26。

圖3-26頁巖壓實趨勢圖

⑵、壓力過渡帶(TransitionZone)

在巖石層序中若包含有厚層的海相頁巖，來自滲透層異常高壓帶的流體可

以滲透到上覆頁巖中去。從靜水壓力到異常壓力隨著深度的變化形成了一個過

渡帶，見圖3-27.

如果粘土膠結的沉積物中包含有一個異常高壓帶，那么該帶的孔隙度比同

樣深度的正常壓實地層的要高。因此，把與孔隙度相關的參數，繪制在半對數

坐標紙上，可能表現為背離沉積趨勢線上的一個過渡帶。趨勢線的變化可能是

突變的，也可能是漸變的，這與壓力“封閉層”的類型和壓實作用有關。

圖3-27過渡帶原理

鉆井過程中及時發現和識別壓力過渡帶是實現地層壓力預測的前堤。壓力

過渡帶是對下部地層壓力異常的預警。

異常壓力地層并不總是有過渡帶。在許多地區，由于粘土或頁巖層太薄或

者同其它沉積物混雜或者由于壓力蓋層可能是一個斷層或者是非滲透性的巖層

等原因，過渡帶很薄或者并不存在。

3.構造因素

在構造作用活動區域，構造因素無疑是異常壓力形成的主要原因。由于現

場資料的缺乏，構造作用效應很難定量化。

(1)、正常壓實地層的抬升

地殼上升力和地表侵蝕力的共同作用，可以把埋藏在深部的巖層抬升到近

地表。如果在抬升和侵蝕過程中有某種因素限制了流體的運移，該地層就會由

于深度因素而形成異常高壓。

壓力梯度的大小與埋藏深度和抬升量有關。抬升量相同時，埋藏深度越淺

壓力梯度越高。圖3-28顯示了不同抬升深度的效果。

樂力―rsi/ft

圖3-28地層抬升過程形成異常壓力的原理

（2）、應力場的變化

構造活動導致了區域應力場力的大小和方向發生變化。構造應力和上覆應

力影響著沉積物沉積的速度和巖石固化的速度。

在特定的沉積物中，構造應力的聚集比流體的排替速度快，就出現流體超

壓。在披覆構造中，上覆非滲透性沉積物的快速堆積可能引起極度的超壓層的

出現。

圖3-29壓力“橋”的概念

構造力有利于維持超壓。流體壓力比上覆壓力高時，可能引起流體壓裂地

層和上覆巖層的抬升。但是如果上覆巖層是致密的（如白云巖），構造應力就可

以幫助建立一個壓力“橋”使上覆巖層固定在一個適當的位置上（圖3-29）.

局部來講，壓力的“橋”是一個蓋層。在少數地區，地層流體壓力可以比上覆

巖層壓力高出40%。

（3）、斷層和斷裂

對于地層流體壓力，斷層可能有幾個不同的效應，這與斷層的位置和類型

有關（圖3-30）:

1）正斷層往往是開放的、形成有效的流體通道。當儲層斷開與非滲透層接觸

時可形成有效的摭擋。

2）逆斷層往往是關閉的、形成有效的遮擋物，尤其是在周圍地層發生變化的

情況下。

3）節理是一種位移很小或沒有位移的斷裂，往往是有效的流體通道。但在塑

性地層（鹽巖、粘土、硬石膏等）中的斷裂能產生一定的封閉作用。

被驅散被知敢

的壓力的壓力

異常壓實的砂巖

圖3-30封閉斷層對異常壓力分布的影響

（4）、刺穿作用

鹽丘對上覆巖層的侵入（刺穿）可以導致鹽丘的頂面和側面形成異常地層

壓力（圖3-31）0刺穿作用給鹽丘周圍的圍巖施加應力，非滲透性的天然鹽限

制了流體的運移。

圖3-31鹽丘刺穿造成的異常壓力效應

4.成巖作用

成巖作用是使巖石礦物在地質過程中發生化學變化的過程。粘土膠結的沉

積物和一些蒸發巖沉積物，經過成巖作用形成正常壓實地層。

石油和天然氣的生成也是一個成巖作用過程。從固體有機質轉變成液體或

氣體的碳氫化合物使其密度減小、體積增大，在封閉或半封閉環境中可以形成

超高壓。

（1）、粘土的成巖作用

粘土礦物微觀上呈片狀，極易結合水（吸咐水）。水在粘土物質中存在的形

式有自由（孔隙）水和層間（結合）水。

沉積過程中，蒙托石（微晶高嶺土）可能含有50-80%的自由水和層間水。

可以有多達十個夾層的層間水。

根據貝斯特（Burst）脫水模型（1969）,隨著埋藏深度的增加，蒙托石經

過三個階段的脫水，最終形成伊利石。如果這些脫出的水的運移受到限制，隨

著釋放出來的水的體積的增加，有可能產生異常壓力。

（2）、從石膏轉變成硬石膏和水的成巖作用

石膏（CaSO-2"0）在被埋藏以后，很快脫水轉變成硬石膏（CaSOJ轉

變的深度（大約為600m）隨上覆壓力、地溫梯度、原始含水飽和度而有所變化。

轉變過程使固體物質的體積減小了38%,但是總的體積卻增加了，這是由

于壓實過程中釋放出來了結合水。在硬石膏層與束縛水的循環形成的結合帶可

能形成異常高壓。

（3）、碳氫化合物的成巖過程

碳氫化合物的形成也是一個成巖過程，并可能引起超壓的形成，尤其是在

該過程產生自由氣體時更是如此。在淺層（小于250m）,細菌作用使沉積物中

的有機質腐敗，產生生物沼氣。由于缺乏非滲透性的蓋層，氣體會向地表擴散。

但是在有些地區，可形成淺層氣，鉆遇這種淺層氣是淺層鉆井的主要災害。

隨著埋藏深度增加，有機物質的化學“裂解”形成碳氫化合物，同時使重

燒裂解形成輕燒。燒分子數量的增多意味著它將會占據更多的空間。很明顯，

在半封閉的環境中的含燒帶地層壓力將會升高。

燒類油藏容易產生壓力異常，尤其是在有大量氣體存在時更是如此。

5、溫度效應

沉積物的重力載荷往往會使沉積物內部的溫度升高。另外，在埋藏時形成

的地溫梯度，隨著沉積物總體密度的不同而有所變化。在溫度升高時，水的體

積略有增大。這就意味著地層水的溫度對異常壓力也有影響。

由于溫度對成巖作用的影響，那么溫度就是影響異常壓力的一個間接因素。

沉積物埋藏過程中，壓實效應和溫度效應都有助于在被蓋層隔離的含水沉

積物中產生的異常流體壓力。

6、流體運移效應

流體運移效應包括鉆開的巖層與超壓層的聯通以及地層流體等勢面的差異

造成的壓力異常，如圖3-32所示。

A.經過傳遞B-經過水泥通道C-經過才艮廢井地下噴發

（或套管）傳遞傳遞

圖3-32不同壓力系統聯通的實例

在低于含水層等勢面的地面上鉆井，當鉆入含水層時，使用“標準”密度

的鉆井液也會導致井涌或井噴，(圖3-33)。

圖3-33從等勢面產生的壓力異常實例

三、隨鉆地層壓力的檢測工作程序

聯機工程師有以下四點主要義務：

1、通過對鉆井中獲得的測量參數進行分析對比，確定或調整估計的地層流

體壓力值。

2、通過利用鉆井階段的實測資料，確定或調整地層破裂壓力值。

3、幫助現場鉆井人員優選使用鉆井液密度及其它常規井控所需要的參數；

定期或經常同用戶交流壓力信息。

4、一旦發現地層壓力異常的信息，及時處理，減小二次井控的風險和投資。

在進行隨鉆地層壓力評價時，在不同的鉆井階段應做的工作如下：

1、開鉆前收集與壓力有關的資料數據

鄰井的電測井資料(聲波和補償地層密度測井)；

鄰井的隨鉆錄井圖；

鄰井的地層壓力或綜合錄井圖；

地震壓力預測圖；

鄰井完井報告。

2、錄井前準備

(1)、使用壓力圖以預計該地區‘正常’地層壓力梯度以及異常壓力帶的頂

部位置。

(2)、檢查綜合錄井圖和完井報告，尋找異常壓力信息、可能的漏失帶、可

能引起壓力評價困難的地質條件(碳酸鹽巖/蒸發巖帶、不整合、斷層等)。

(3)、如果有該區域壓力梯度數據，應計算出設計井中到第一個套管鞋位置

的壓力梯度。如果是在海上還要包括水深和空氣間隔的計算。

(4)、如果有當地的泊松比系數，應估計設計井到第一個套管鞋深度的破裂

壓力梯度。

(5)、如果沒有當地的用于計算上覆壓力和破裂壓力梯度的有關系數，分析

巖性錄井圖以確定開始鉆井應該使用的合適的軟地層或硬地層系數。

(6)、參考施工井的鉆井設計，明確鉆井計劃以及出現異常壓力的可能深度。

(7)、在海上，如果實際的水深和空氣間隔與設計值不符時，重新計算上覆

壓力梯度。

(8)、同地質監督和用戶商討，確定對壓力報告的要求：系統單位、錄井圖

比例、每天匯報時間以及當壓力參數變化時應該向誰匯報等。

(9)、選擇壓縮深度比例(1/5000或更小)繪制所有與壓力相關的錄井圖，

以便于確定趨勢線和允許進行校正處理。

3、鉆井過程中應做的工作

(1)、根據設計井區的地質特征，確定使用合適的地層壓力檢測方法，使用

0指數及Sigma指數的一種或兩種方法同時使用；使用最適合當地條件的工

作方法；盡可能進行實時解釋。

(2)、對所有井段的純頁巖按采樣間隔測定頁巖密度。

(3)、通過背景氣的出現或消失、單根氣和起下鉆氣監控壓差變化。

(4)、如果是定向井，在進行解釋和提交給現場人員之前，重新按照定向井

的真實垂直深度計算壓力參數。

(5)、每天最少繪制出兩份綜合錄井圖和壓力檢測圖供地質監督和用戶查

閱；保證任何時候錄井圖都是及時繪制的。

(6)、如果出現井涌，使用關井鉆具壓力(SIDPP)來計算地層流體壓力。

(7)、要保證對所有錄井圖的及時備份，錄井房內懸掛綜合錄井圖，以便于

快速查閱。

(8)、作好鉆井日志，記錄與壓力相關的事件，對專門的壓力評價過程和方

法要保持單獨的文件目錄，以便讓其它錄井人員參考。

4、在每次下套管時應做的工作

(1)、收集聲波測井資料，以便重新計算各井段的上覆壓力梯度。

(2)、如果有重復地層測試器(RFT)的壓力值，使用它們來計算正常地層

流體壓力梯度。

(3)、當鉆穿新的套管鞋時，如果有地層泄漏試驗數據的話，使用這些數據

來重新計算破裂壓力梯度和當地泊松比系數。

5、完井時應做的工作

(1)、使用電測井資料(聲波、RFT等)重新計算上覆壓力系數、地層流體

壓力梯度和泊松比系數。

(2)、應用中途測試(DST)的初始關井壓力(ISIP)值來對地層流體壓力

梯度進行重新計算。

(3)、使用校正后的參數，作出最終的綜合錄井圖和壓力錄井圖。

(4)、評價在該井中使用的壓力評價方法的經驗及教訓，并在完井報告中反

映出來。

(5)、把遇到的任何特殊情況，使用新的壓力檢測方法或其它事項告訴當地

油田基地，以便能夠幫助他們今后改進在該地區的鉆井服務。

四、“d”指數地層壓力檢測法

1、d指數來源和基本計算方法

鉆速(ROP)受巖石體積密度和壓差的影響。欠壓實地層的體積密度比該深

度下的預計密度要小。因此，鉆速是異常壓力的重要標識。

但是鉆速方法是壓力檢測中的不可靠的方法。所有類型的地面和井下參數

都對鉆速的變化產生影響，比如，很難區分出是壓實效應，還是由于鉆壓的變

化引起的鉆速變化。

在鉆頭和地層表面的一個復雜的交互面上受地層可鉆性的影響。為計算方

便，地層可鉆性由賓漢(Bingham)(1964)給出的一個鉆進速度方程來定義：

式中A-鉆速,ft/min;

轉盤轉速，r/min;

鉆壓，P；

〃-鉆頭直徑，in.；

a-巖性常數，無量綱；

d-壓實指數，無量綱。

約翰(Jordan)和希爾利(Shirley)(1966)省略了巖性常數R,并用其

它經驗常數來解決賓漢的d指數問題。

為了求解d指數，約翰和希爾利方程成為：

.R

,nw

嗚。

110r5

式中鉆速，ft/h;

轉盤轉速，r/min;

鉆壓，kN;

鉆頭直徑，cm.

1971年由雷姆(Rehm)和邁克林頓(McClendon)第一次提出了校正的d

指數(①)。鉆井液密度校正公式為：

式中指數，無量綱；

4-校正d指數，無量綱；

正常靜水壓力梯度(等效鉆井液密度單位)，ppg;

d廠當量鉆井液密度(ECD),ppg

Geoservices使用另一種校正版本的d指數，叫做d*dcs與dc的不同在

于引入了一個鉆頭磨損系數。而大多數的泥漿錄井公司使用心指數(校正鉆井

液密度或ECD)進行壓力計算。在API單位制下心方程是：

式中鉆時，min/ft;

鉆壓，lbs;

轉盤轉速,r/min;

鉆頭直徑，in..

/■仞-鉆頭磨損系數,無量綱;

正常靜水壓力梯度（等效鉆井液密度單位），ppg;

d廠當量鉆井液密度或ECD,ppg.

O-鉆頭類型指數，無量綱；

下表顯示N指數值和與之對應的IADC值：

IADCN指數

10.6

20.5

30.4

40.3

50.2

60.1

70

國內常用de計算公式如下:

,3.282

1g

[RPMxROP」G“

,r0.0684xW/OfilECD

lg..........-

式中de校正"指數值，無量綱；

RPM轉盤轉速，r/min;

R0P鉆時，m/min;

WB鉆壓，kN;

D?鉆頭直徑，mm;

3

GK正常液壓梯度，g/cm;

ECD當量鉆井液密度，g/cm\

2、4及其解釋

在正常壓實頁巖中，在半對數坐標上繪制出心「井深圖，描述了壓實作用

增加的一種線性趨勢（服）。該圖與頁巖密度圖相似。雖然在地質情況清楚的地

區可以使用標準的趨勢線，但是地質專家還是繪制出了對于每個地區的經驗趨

勢線（圖3-34）。

為了確定趨勢線，聯機工程師必須選擇具有代表性的純頁巖的小值。通常，

有代表性的巖性層段必須大于150m。選擇井段的起始井深的平均值和終止井深

的平均值將作為計算服的基本值。然后聯機工程師就可以計算出曲線的斜度系

數和趨勢線的偏移量。

趨勢線的斜度a：

H「H\

偏移量系數b-.

b=logio%-

式中用-上部服值的深度；

4-下部心值的深度；

上部值；

「下部值。

圖3-34乙趨勢線的確定概要圖

如果選擇井段具有不間斷的壓實史，趨勢線將延伸到具有基值的井段以上

或以下。可以用作計算機計算和地層壓力評價，趨勢線上的任何一點上的位置

都可以通過下式計算：

式中目標層深度，m。

一般地說，整口井的斜率有一固定值，而偏移量隙著鉆井過程的進行而不

斷變化。在純頁巖層中，4值變到心趨勢線左邊表示有欠壓實或負壓差過渡

帶的存在。而心的值向右偏移，說明是中性的或正壓差，或“超壓實”，比如

蓋層帶。

通常，砂巖的孔隙度比頁巖的平均孔隙度要高。因此，鉆穿砂巖層時，由

于與壓實作用有關的原因，可能導致幾趨勢線向左偏移（參見圖3-35）。通

過或對砂巖地層壓力計算可能出現錯誤的超壓值。為了消除這個問題，引入了

一個“砂巖線”截斷法。

圖3-354隨鉆頭、底部鉆具組合特征變化示意圖

注意了解心和服之間的關系。當在斜井計算小時，特別注意要根據實際

垂直井深（7。）而不是測量井深來計算出“，值和壓實趨勢線。另外，有幾個

與鉆頭和地層有關的因素可能使4/服的值發生偏移。

圖3-35顯示4,是如何隨鉆頭、底部鉆具組合特征而發生變化的，這即使

采用了鉆頭磨損系數校正因子時也是如此。當井眼直徑、鉆頭類型、鉆具組合

和水動力發生變化時，的值也會隨著發生偏移。

圖3-36顯示心是如何隨地層條件發生變化的。在頁巖段，通過適當的解

釋，計算往往是理想的。例如，在淺井鉆探中，未固結的巖層可能產生錯誤的

4值。在這樣的地層，鉆頭主要的作用是介于對鉆井液的噴射和牙輪的沖擊之

間。

鉆穿不整合面時，由于壓實趨勢的間斷，引起4值向右偏移。而趨勢線斜

率（在對數坐標上）應該維持不變。

砂質泥巖層的值可能不可靠。巖層中的孔隙度的變化可能導致錯誤的dc?

的值。

非頁巖層提供的結果也是不可靠的。砂巖帶的鉆進速度比頁巖帶快，因此，

心的值主要是向左偏移。而碳酸鹽巖提供分散的、錯誤的值。

有時聯機工程師必須手工移動4和小曲線，以使它們維持適當的關系。

如果原來的偏移明顯地是由于鉆頭變換和地層的不整合造成的，那么只需移動

乙或乙其中之一。不要用相關的偏移量對其它任何地層的F指數進行調整。

對于某種類型的地層，/計算是非常有用的（比如在壓實頁巖層），但是

公認僅僅憑它卻不能斷定異常壓力層。應該結合其它與壓力相關的參數，并仔

細檢查計算機處理的心值，以便得出更加準確判斷。

DCS/DCN巖性條件

二二主要以噴射鉆井而不是靠拈頭的

DCN二二

DCS沿壓力趨勢線的正常變化

5^?^-高曬0P(可能需要端

線'3來計算正確的磔研值

粉砂或砂質頁巖中的正常的DCS

5ms導致而預測

正常曲CS

可能的蓋層

從正壓差到負壓差之間的過渡帶

負壓差

圖3-36由于地層條件而引起的dcs的變化

3、上覆壓力計算

根據壓裂試驗數據、聲波測井數據、密度測井數據等計算上覆巖層壓力梯度、

基巖應力系數和波松比。并回歸出上覆巖層壓力梯度與井深、基巖應力系數與井

深的曲線方程。

(1)基巖應力系數K

G,-G

K=/-

G。-Gp

式中G「地層孔隙壓力梯度,g/cm';

心-上覆巖層壓力梯度，g/cn?;

G「地層破裂壓力梯度，g/cm)

4-9.81x105x（%-乩）

Gf=P+

m9.81xH

式中，"-井內泥漿密度,g/cm';

夕/-地層漏失時立壓，kPa;

H-井深，m;

4-海床深度,m;

4-海水深度,m。

(2)上覆巖層壓力梯度Go

十AW

G

o=LPi,X,

n

式中，廠地層密度，g/cm’;

△H-井深間隔,m;

H一井深,m。

A=p??-2100x

式中PT*—基巖密度,g/cm*

△ti—地層聲波時差，Ms;

△tr?；一基巖聲波時差，Ms;

△泥漿聲波時差，MS.

(3)上覆巖層壓力

上覆巖層壓力和波松比的計算是根據初始給定數據和公式。

1)上覆巖層壓力

5=Ax(lnH)2+Bxln//+C

式中底垂深，01；

A,B,j系數。

法國GEOSERVICES公司推薦值為：

硬地層：4=0.0334;^=-0.3439;1=2.9986

軟地層：A=0.0301;^=-0.3278;1=2.9015

(4)波松比〃

根據輸入的波松系數首先求基巖應力系數K

K=6(儲如"+小)

式中心"系數，推薦值為：

硬地層：-=0.354;—=-3.1846

軟地層：￡=0.266;KB=-1.351

波松比：

4、地層壓力計算

(1)正常壓力層

當de指數曲線位于左邊界右側時，則認為該地層為正常壓力層，地層壓力

等于正常的地層液壓梯度，根據地區不同一般在0.97-L06g/cm3。即

號=G“

式中Pr地層壓力系數。

(2)滲透性地層

當de指數曲線位于砂巖線左側時，則認為該地層為滲透性地層，該段地層

壓力繼承上覆欠壓實地層的地層壓力。即

Pf=PFR

式中PFR上覆地層壓力系數。

(3)欠壓實地層

當de指數曲線位于左邊界與砂巖線之間時，則認為該地層為欠壓實地層，

根據de指數計算地層壓力：

5、地層破裂壓力計算

?"二號+七號)

式中Frac地層破裂壓力。

6、地層孔隙度計算

介指數在砂巖線左時

S-0.93P,-0.02G,,(d丫°

</>=-----------------0.093-士

s-G"\dcnJ

"c指數在砂巖線右時

Pmx

式中。-地層孔隙度，％。

P,泥頁巖體積密度，g/cm3;

P叭基巖密度，g/cm3。

五、Sigma錄井

1、Sigma錄井的來源

Sigma錄井是另一種地層壓力評價方法，是在二十世紀七十年代中期，由

意大利石油公司AGIP在坡(Po)山谷鉆探時提出來的。在不連續的砂泥巖層或石

灰巖層中，從d指數計算出的壓力數據不可靠，并且很難建立一條連續的壓

實趨勢線。另外，0指數的計算也不能直接補償壓差的變化，而壓差對井眼

的沖洗和鉆速的影響都是非常大。Sigma錄井對這些參數進行了優選，并成功

地運用在全世界的粘土質地層錄井中。

另外，用戶可以對用作壓力計算的不真實的高值或低值進行處理。該頂功

能對應于用來計算Y指數的，砂巖線工

指數的趨勢線變換是對連續地層鉆井參數進行補償，而Sigma指數變

換是對混合型的粘土質地層的鉆井參數進行補償，趨勢線一般的斜率為0.088,

它被證實在歐洲和北海地區都是正確的。其它的地區可能需要不同的斜率值，

用戶可以對斜率值進行修改。

2、原始Sigma（cr）

基本的Sigma計算包括兩個部分。第一部分關于巖石的可鉆性的確定；第

二部分關于壓差的影響。

首先，需確定原始Sigma（c）值，它是無量綱的：

0.5n0.25

U_XRPM

nD025

DhxROP

式中照廠鉆壓，t;

A掰-轉盤轉速,r/min;

2-鉆頭直徑，in;

兒廠鉆速，m/h.）

不同參數之間的關系是經驗性的。在理論上講，在同樣的深度鉆穿相同的

巖層，除不同的鉆壓、轉速、鉆頭直徑和鉆速外，，c：的值對于兩個同類鉆

頭應該相同。在實際運用中，由于鉆井參數的不斷變化，可能引起值的

一些變化。

3、對淺層井眼條件下校正后的原始Sigma值（

當把的值對應于井深繪圖時，有大量的的點比平均值大或小。

這在淺井中尤為明顯。正因為如此，計算中使用了一個校正系數計算調整后的

原始Sigma值（c”）:

向=后+0.028（7--—）

式中L-井深，m。

一般說來，當值（SN1）時代表砂巖，當值（>1）時代表頁巖。

4、“井眼清洗系數”（〃）

變量是地層孔隙度和滲透率的函數。當井底壓差為正值時，巖石的孔

隙度和滲透率確定巖層內部流體壓力何時才能與鉆井液壓力相等，反過來將影

響到巖屑能被鉆井液帶到地面的速度（“巖屑沉降效應”）。因此，描述鉆井

液把巖屑從鉆頭上沖洗掉的效率。

的計算有兩種方法，這與的值有關：

如果廊S1,則

3.2

640x^7

如果向'>1，則

10.75、

n=——(4

664400后

由此可見頁巖的值比砂巖大，頁巖層井眼清洗效率比砂巖的要低。

5、壓差的影響（F*）

變量"描述了壓差對地層可鉆性的影響。這里要有一個已知的對于每個目

標層的壓差值。

實際的壓力差為：

kp="-p忘

式中/尸-壓力差，kgf/cm;

P~鉆井液密度，kg/1;

乙-正常地層流體壓力梯度，kg/1;

深度，m。

產〃的值是由局部地層流體的平均密度確定的。通常，由于缺乏對局部地層

信息的了解，操作員必須估計出玲。一般地說，’/產值的增加引起鉆速的減

慢，而AP的減小引起鉆速的加快。當4夕的值為零或接近于零時，鉆速最

大。鉆速相對于^AP的變化是非線性的。

為了計算Sigma值，壓差的影響被描述為一個系數：'F*'.對于每個預計

深度*滿足方程：

l-71+n2xAP2

---------------

nxAP

式中〃-井眼清洗系數；

一-一壓差,kgf/cmo

6、真實Sigma（crj

真實Sigma（c）值，也稱為“巖石強度參數”。計算公式如下：

向二F*x向

式中巖石強度參數

7、Sigma趨勢值（/）

巖石強度參數（人）可被繪制成一系列互相連接的點（圖3-37）。與，d

指數不同的是，其橫坐標是線性的。Sigma值的范圍從。到1。

Sigma錄井孔隙壓力

深度0.20.50.8(估算值)

(m)?-?——~L

2000

4000

5000

圖3-37Sigma錄井圖（巖石強度參數）

，八’的值在可鉆性增大時具有向左偏移的趨勢，而當可鉆性減小時，具

有向右偏移的趨勢。發生偏移是由于巖石機械特性的變化（巖性或孔隙度），鉆

井參數的變化（主要是井眼直徑），或以上兩種因素影響造成的。

對于一個巖性相同的地層剖面，，人’的值隨著深度的增加而增大，為正

常壓實趨勢（巖性的改變，如從頁巖到砂頁巖，或者鉆井參數的重大變

化，會引起‘c；值的突然偏移，接著從巖性或鉆井參數開始變化的下一點，

出現一個新的平均值。因此，當出現巖性變化，井眼直徑或鉆頭類型變化時，

要對‘c；的值進行偏移處理，以使它同‘打，維持適當的關系。

以下方程描述了趨勢線在每個點的位置：

L

向=0.088+B

1000

式中井深，m;

井深為零時的6值，即坐標截距，無量綱。

當平均值變化時，，趨勢線也會變化。注意：不要隙意改變‘。

;趨勢線。

下列方程描述了趨勢線每一段的起始點：

8、，標準化，的Sigma

對孤立的4t7；線段進行重組，形成一條連續的趨勢線，而在趨勢線上的

每一點維持著，同,的聯系。圖3-38示范了這個原理。

圖3-38Sigma錄井圖的標準化處理

A-Sigma偏移錄井圖，B-沒有壓差補償的標準化錄井圖

C-具有壓差補償的標準化錄井圖

9、正常趨勢線上57及g值（T,.

式中A,6-正常趨勢線的斜率與截距，可由初始化給定的兩點確定。

一般：A=0.088

10、Sigma地層壓力Pt

=20（1/

/-4-S“.y.（2—y）.%

丫=生

若

Pf<Pn

則